翟小艷

(大同市水文水資源勘測(cè)站，山西 大同 037043)

由于山西省地表水資源匱乏、保證率低，地下水成為人民生活的主要供水水源。近年來(lái)，由于不合理地開(kāi)發(fā)利用地下水資源，地下水位不斷下降，不僅對(duì)全省的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活造成了嚴(yán)重的影響，也引發(fā)了地面沉降、地裂縫和地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，已形成以城市和集中開(kāi)采區(qū)為中心的地下水超采區(qū)[1]。目前，山西省晉中市榆次源渦、榆次城區(qū)、介休城區(qū)-宋古等8處水源地已被劃分為地下水漏斗區(qū)[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水位及漏斗區(qū)的研究，主要集中在發(fā)展歷史、形成原因、恢復(fù)措施等方面。Glass et al.[3]利用MODFLOW-NWT建立了越南河內(nèi)地下水瞬態(tài)數(shù)值流動(dòng)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了校正，為水資源可持續(xù)管理提供解決方案；Yi-Xuan et al.[4]在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水需求的同時(shí)，提出了一種新的水庫(kù)運(yùn)行模型，為濕地和降落漏斗提供了水源；陳立[5]對(duì)哈密盆地水位實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，運(yùn)用surfer軟件繪制地下水開(kāi)采降落漏斗圖，并計(jì)算疏干量，對(duì)漏斗形成的原因進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，提出治理方案；陸海玉等[6-7]通過(guò)建立地下水?dāng)?shù)值模型，提出了其研究區(qū)漏斗修復(fù)方案；白細(xì)民等[8]采用R/S分析法對(duì)南昌市地下水位和降落漏斗的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為地源熱泵系統(tǒng)推廣應(yīng)用和地下水資源開(kāi)發(fā)利用提供參考；賴(lài)喬楓等[9]采用ArcGIS空間分析和主成分分析法對(duì)大安市地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出了適合該研究區(qū)的農(nóng)灌方式，為合理開(kāi)發(fā)地下水資源、嚴(yán)格控制地下水超采提供可靠依據(jù)；邵景林等[10]通過(guò)對(duì)廊坊市漏斗區(qū)發(fā)展動(dòng)態(tài)的分析，采用相關(guān)分析法對(duì)研究區(qū)開(kāi)采量與漏斗面積進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出其發(fā)展趨勢(shì)；袁野等[11]通過(guò)研究呼和浩特市平原區(qū)內(nèi)降水量、開(kāi)采量、地下水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及特征，運(yùn)用相關(guān)分析和回歸分析方法，分析影響區(qū)域地下水水位動(dòng)態(tài)變化的影響要素，進(jìn)而揭示三者之間的互饋效應(yīng)。還有一些學(xué)者在分析地下水降落漏斗形成的基礎(chǔ)上，提出相關(guān)治理保護(hù)措施，為各研究區(qū)合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源、恢復(fù)區(qū)域水生態(tài)平衡提供參考和建議[12-17]。

長(zhǎng)期以來(lái)，介休市各行業(yè)供水以地下水為主，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的增加和大氣降水的減少，介休市水資源開(kāi)發(fā)利用中水資源供需矛盾尖銳、遭到人為破壞嚴(yán)重、有效利用率低以及水質(zhì)污染嚴(yán)重等問(wèn)題日益突出[18]。尤其在介休市城關(guān)、宋古一帶，地下水位大幅度下降，已形成以宋古為中心的115.00km2的地下水位降落漏斗，同時(shí)還產(chǎn)生了洪山泉斷流、水環(huán)境惡化等問(wèn)題，這些已成為制約介休市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。介休市城區(qū)的宋古漏斗區(qū)是介休市最重要的城鎮(zhèn)供水水源地之一，對(duì)該漏斗區(qū)的演變及成因進(jìn)行分析，可為介休市水資源、水環(huán)境和水生態(tài)保護(hù)提供重要依據(jù)，對(duì)于推動(dòng)介休市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源、水環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)，支撐介休市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)是介休市城區(qū)水源地，位于山西省介休市西北部，龍鳳河、興地河洪積扇上，屬大陸性氣候，四季分明，冷熱、干濕對(duì)比明顯。受龍鳳河沖積、堆積、沉積影響和邊山、丘陵前沿?cái)嗔亚懈钭饔茫x存有極豐富的地下水，具有比較完整的地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件。在20世紀(jì)60年代中期，宋古井灌區(qū)建立，70年代后，一些耗水量大的企業(yè)供水井相繼建成投產(chǎn)，地下水開(kāi)采量相繼增加，由于缺乏合理規(guī)劃，致使水位逐年下降，形成包括城關(guān)、宋古兩鄉(xiāng)全部以及三佳、義安、綿山、義棠等鄉(xiāng)鎮(zhèn)部分地區(qū)，并擴(kuò)展到孝義市境內(nèi)的區(qū)域水位降落漏斗[19]。2016年，該漏斗區(qū)面積115.00km2，占全市總面積743.7km2的15.5%，其中嚴(yán)重超采區(qū)面積45.00km2，漏斗區(qū)大體分布于介休市城區(qū)周?chē)?，北起洪相孟王堡、南至東內(nèi)封、西以汾河為界、東至連福鎮(zhèn)龍頭，呈東北—南西向橢圓狀分布，主要包括介休城區(qū)、宋古、三佳、義安等。現(xiàn)狀地下水開(kāi)采深度在150～300m之間，有深井300余眼，水位埋深40～120m，單井出水量30～80m3/h。區(qū)內(nèi)由于工農(nóng)業(yè)集中強(qiáng)度開(kāi)采，地下水位大幅持續(xù)下降。地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)由20個(gè)觀測(cè)孔組成，其中有1個(gè)專(zhuān)門(mén)觀測(cè)孔，其余為生產(chǎn)井。

2 漏斗區(qū)發(fā)展階段劃分與演變分析

2.1 發(fā)展階段劃分

1979年，城區(qū)-宋古地下水位最低點(diǎn)為726.42m，位于城關(guān)鄉(xiāng)羅王莊一帶，漏斗初步形成于20世紀(jì)80年代初。查閱《介休市水資源規(guī)劃報(bào)告》等相關(guān)資料，1985—2016年介休市城區(qū)-宋古地下水漏斗區(qū)水位埋深變化見(jiàn)圖1。根據(jù)水位變化特征將地下水漏斗發(fā)展分為4個(gè)階段，分別為直線發(fā)展階段(1985—1990年)、急劇擴(kuò)張階段(1990—2000年)、穩(wěn)定發(fā)展階段(2000—2010年)和逐漸恢復(fù)階段(2010—2016年)[20-21]。

圖1 介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)水位埋深變化

2.1.1 直線發(fā)展階段(1985—1990年)

20世紀(jì)50年代，介休市城周有幾十處大小泉眼，泉水長(zhǎng)流不斷。在介休市東北洪積扇中下部埋藏著豐富的承壓水，有自流井近百眼，水頭高出地面數(shù)米至數(shù)十米。洪積扇邊沿地帶，地下水溢出地表，形成大片鹽堿下濕地。

60年代中期，隨著農(nóng)業(yè)與水利事業(yè)的發(fā)展，相繼建成了宋古、湛泉、城關(guān)井灌區(qū)，灌溉面積達(dá)到幾萬(wàn)畝；隨著工業(yè)的發(fā)展，介休造紙廠、介休紡織廠、山西印染廠、汾西洗煤廠等用水大戶相繼建成投產(chǎn)。由于缺乏地下水開(kāi)采的合理規(guī)劃與管理，加之當(dāng)時(shí)錯(cuò)誤地認(rèn)為地下水是取之不盡、用之不竭的，因此處于盲目的、無(wú)節(jié)制的、掠奪性的開(kāi)采狀況，使地下水開(kāi)采量直線上升。

1985年，介休市境內(nèi)漏斗區(qū)面積發(fā)展到91.15km2(按720m水位線考慮，下同)，并已跨過(guò)汾河進(jìn)入孝義縣境內(nèi)，總面積約100km2，漏斗區(qū)中心位于綿山鎮(zhèn)東內(nèi)封村，水位708.20m，水位埋深50.00m。進(jìn)入80年代后期，降水量減少，河川徑流衰減，致使地下水補(bǔ)給量減小，造成地下水位急劇下降，地下水資源遭到嚴(yán)重破壞。開(kāi)始是小泉斷流，繼而是自流井報(bào)廢，再者是較大泉水扁擔(dān)泉、葫蘆泉、城南泉干涸，逐步形成了城區(qū)-宋古地下水降落漏斗區(qū)。

2.1.2 急劇擴(kuò)張階段(1990—2000年)

1990年，介休市境內(nèi)的地下水漏斗面積發(fā)展到108.06km2，總面積已發(fā)展到130.00km2，漏斗區(qū)中心東內(nèi)封長(zhǎng)觀井地下水位697.18m，水位埋深61.02m。1985—1990年，介休市境內(nèi)漏斗面積增加16.91km2，平均每年外擴(kuò)3.38km2，擴(kuò)展方向主要是向北、向西；中心水位下降11.02m，下降速率2.20m/a。

2.1.3 穩(wěn)定發(fā)展階段(2000—2010年)

2000年，介休市境內(nèi)地下水漏斗區(qū)面積發(fā)展到129.77km2，總面積達(dá)到180.00km2左右，漏斗中心移至宋古村，水位為677.30m，水位埋深87.64m。1990—2000年，介休市境內(nèi)漏斗區(qū)面積外擴(kuò)21.71km2，平均每年外擴(kuò)2.17km2，擴(kuò)展方向主要是向北；中心水位下降19.88m，下降速率1.99m/a。

2.1.4 逐漸恢復(fù)階段(2010—2016年)

2010年介休市境內(nèi)漏斗區(qū)面積發(fā)展到142.17km2，總面積達(dá)到200.00km2左右，漏斗中心宋古水位為651.54m，水位埋深92.81m。2000—2010年，漏斗區(qū)面積外擴(kuò)12.40km2，平均每年外擴(kuò)1.24km2，擴(kuò)展方向主要是向北；中心水位下降25.76m，下降速率2.58m/a。

近年來(lái)，介休市人民政府采取了一系列超采區(qū)治理措施，基本實(shí)現(xiàn)了超采區(qū)地下水位的止降回升。2016年底城區(qū)-宋古漏斗區(qū)總面積130.00km2，其中介休市境內(nèi)面積為115.00km2，漏斗中心位于宋古一帶，中心水位為656.22m，埋深86.97m。2010—2016年漏斗區(qū)面積有所減少，中心水位止降回升，但速度緩慢。

2.2 演變分析

2.2.1 水平演變分析

多年來(lái)區(qū)域地下水一直處于超采狀況，水位嚴(yán)重下降?；诮樾菔谐菂^(qū)-宋古漏斗區(qū)1985年、2010年和2016年的地下水水位等值線圖(見(jiàn)圖2～圖4)，對(duì)漏斗區(qū)進(jìn)行水平演變分析。1985年，漏斗面積91.00km2，漏斗中心位于東內(nèi)封，水位為708.20m。到2010年，漏斗面積120.00km2，年均擴(kuò)大1.16km2，形成以宋古、張家莊、三道河為中心的橢圓形漏斗區(qū)，其中宋古為主要漏斗中心，水位651.54m，與1985年相比，下降56.66m，下降速率2.27m/a。到2016年，漏斗面積恢復(fù)到115.00km2，年均縮小0.83km2，漏斗中心向北、向西演變，形成以張家莊、東湛泉、宋古、韓屯為中心的橢圓形漏斗區(qū)，主要漏斗中心依然為宋古，與2010年相比，水位有明顯回升的態(tài)勢(shì)，上升4.68m，年均回升0.78m。

圖2 介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)1985年地下水水位等值線圖

圖3 介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)2010年地下水水位等值線圖

圖4 介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)2016年地下水水位等值線圖

2.2.2 垂直演變分析

1985—2016年?yáng)|西、南北地下水位變化剖面見(jiàn)圖5、圖6。東西向主要包括東大期、義安、西湛泉、南張家莊、宋古、東內(nèi)封和義棠7個(gè)村莊，南北向主要包括張家莊、南橋頭、下站、韓屯、東內(nèi)封和西靳屯6個(gè)村莊。從圖5可以看出，1985—2010年，地下水位逐年下降，平均降幅為1.09%，接近漏斗中心變幅明顯。2016年西湛泉、宋古和義棠地下水位略有下降，其余均回升，平均回升幅度為1.10%。

圖5 介休市城區(qū)-宋古地下水降落漏斗區(qū)地下水位東西剖面圖

圖6 介休市城區(qū)-宋古地下水降落漏斗區(qū)地下水位南北剖面圖

從南北剖面圖可以看出，1985—2010年，漏斗區(qū)地下水位平均降幅為0.91%；2016年，下站、韓屯地下水位略有下降，其余4處地下水位均呈回升態(tài)勢(shì)，張家莊、南橋頭和東內(nèi)封回升明顯，平均回升幅度為2.17%，表明在此階段該水源地管理部門(mén)對(duì)漏斗區(qū)進(jìn)行了嚴(yán)格的管理和保護(hù)。

3 漏斗區(qū)成因分析

漏斗區(qū)地下水位下降的成因歸結(jié)為自然因素和人為因素，自然因素主要是降水量的影響，人為因素主要是開(kāi)采量的影響。

3.1 降水量與地下水位關(guān)系

根據(jù)介休市氣象局宋古雨量站1985—2016年降水量資料可知，多年平均降水量為443.00mm，最大年降水量為661.20mm(1988年)，最小年降水量為260.90mm(1997年)，極值比為2.53，該漏斗區(qū)降水量與地下水水位變化見(jiàn)圖7。由圖7可知，該漏斗區(qū)僅1985年、1988年、2003年、2013年降水超過(guò)600.00mm，其余年份均都低于600mm。1991年之前降水量雖然較大，但漏斗中心地下水位降速也大，主要是由于人為無(wú)節(jié)制地肆意開(kāi)采地下水所導(dǎo)致的。1995—2005年降水量偏小，漏斗中心地下水位降速較大，漏斗區(qū)持續(xù)擴(kuò)展。2005年之后降水量偏大，水位逐漸回升。

圖7 1985—2016年介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)降水量與水位變化

3.2 開(kāi)采量與地下水位關(guān)系

基于介休市城區(qū)-宋古超采區(qū)1985—2016年開(kāi)采量數(shù)據(jù)資料，典型年開(kāi)采量與開(kāi)采系數(shù)見(jiàn)表1。漏斗區(qū)多年平均開(kāi)采量為3534.6萬(wàn)m3，開(kāi)采量與地下水位關(guān)系見(jiàn)圖8。1985—1990年，開(kāi)采量逐年增加，1990年，開(kāi)采量甚至達(dá)到4253.0萬(wàn)m3，超采1293.0萬(wàn)m3，開(kāi)采系數(shù)為1.44。1990—2000年，開(kāi)采量持續(xù)穩(wěn)定在4000.0萬(wàn)m3左右，水位大幅下降，之后，開(kāi)采量處于遞減趨勢(shì)，水位降速減緩。直到2010年，介休市城區(qū)-宋古相關(guān)管理部門(mén)對(duì)漏斗區(qū)實(shí)施限采，漏斗區(qū)地下水位逐漸回升。

表1 1986—2016年介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)開(kāi)采量與開(kāi)采系數(shù)

圖8 1985—2016年介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)開(kāi)采量與水位變化

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

通過(guò)以上分析可知，介休市城區(qū)-宋古超采區(qū)主要形成原因?yàn)榻邓亢腿藶殚_(kāi)采，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算兩個(gè)因素與水位間的關(guān)聯(lián)程度，確定其對(duì)地下水超采區(qū)影響的程度。

灰色系統(tǒng)理論克服了回歸分析等傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法的不足[22-23]?；疑P(guān)聯(lián)度法是一種通過(guò)確定各自變量指標(biāo)權(quán)重的多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，自變量與因變量之間的相關(guān)程度用關(guān)聯(lián)系數(shù)r來(lái)表示，r的絕對(duì)值越接近于1，兩變量的關(guān)聯(lián)程度越強(qiáng)，r的絕對(duì)值越接近0，兩變量的關(guān)聯(lián)程度越弱[24-26]。計(jì)算公式為

(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)

(1)

式中：Y(k)為參考序列；Y′(k)為參考序列平均值；Xi(k)為第i個(gè)比較序列；X′i(k)為第i個(gè)比較序列平均值。

(2)

式中：ξi(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨率系數(shù)，本文取0.5；minmminn|Y′(k)-X′i(k)|、maxmmaxn|Y′(k)-X′i(k)|分別為兩級(jí)最小差和最大差。

(3)

式中：ri為關(guān)聯(lián)度。

以1985—2016年介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)的降水量、地下水開(kāi)采量與地下水位數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用上述公式計(jì)算，得出降水量和開(kāi)采量與地下水位的關(guān)聯(lián)度分別為0.595和0.736。因此，該漏斗區(qū)地下水位變化受到地下水開(kāi)采量的影響程度大于降水量。

介休市已失去洪山泉，不能再失去城區(qū)-宋古水源地。近幾年，在介休市人民政府和相關(guān)部門(mén)的限制開(kāi)采下，該漏斗區(qū)地下水位止降回升，按此趨勢(shì)，該水源地地下水位有望恢復(fù)2000年的水平。

4 結(jié) 論

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，由于宋古井灌區(qū)建設(shè)和工業(yè)發(fā)展，使介休市城區(qū)、宋古一帶地下水位急劇下降，進(jìn)而形成地下水降落漏斗，嚴(yán)重影響該市地下水資源可持續(xù)利用。本文通過(guò)漏斗區(qū)發(fā)展演變和多年數(shù)據(jù)分析，得出以下主要結(jié)論：

a.介休市城區(qū)-宋古漏斗區(qū)的發(fā)展劃分四個(gè)階段：直線發(fā)展階段、急劇擴(kuò)張階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和逐漸恢復(fù)階段。第四階段即目前所處階段，漏斗區(qū)面積有所減少，中心水位止降回升，但速度緩慢。按此趨勢(shì)，該水源地地下水位有望恢復(fù)2000年的水平。

b.根據(jù)從地下水位等值線圖、地下水位變化剖面圖對(duì)水平、垂直兩個(gè)維度進(jìn)行演變分析，結(jié)果均不同程度地表明該漏斗區(qū)地下水位處于回升趨勢(shì)。

c.降水量的減少、開(kāi)采量的增加與地下水位下降密切相關(guān)，灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算得出降水量和開(kāi)采量與地下水位的關(guān)聯(lián)度分別為0.595和0.736，表明漏斗區(qū)形成的主要因素是地下水的過(guò)量開(kāi)采。

該研究的結(jié)果可為今后地下水資源科學(xué)利用、精準(zhǔn)生態(tài)回灌提供理論基礎(chǔ)，在限定的氣候條件下為精準(zhǔn)施策合理恢復(fù)地下水資源提供參考。